深水靜壓下化學(xué)敏化乳化炸藥爆炸能量的輸出特性?

劉 磊 王 遠(yuǎn) 張成良 張海濤

昆明理工大學(xué)國土資源工程學(xué)院(云南昆明，650093)

引言

乳化炸藥是一種以氧化劑水溶液作為分散相、油相作為連續(xù)相的工業(yè)炸藥。分散相懸浮于連續(xù)相，形成一種油包水型乳化體系，再經(jīng)過敏化工藝而形成乳化炸藥[1]。在乳化炸藥敏化的過程中，敏化劑的作用是形成微小、規(guī)則的敏化氣泡并均勻分布在乳化基質(zhì)中，可以適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)炸藥的密度；當(dāng)起爆原件產(chǎn)生沖擊波作用后，通過壓縮形成微小熱點(diǎn)，從而使炸藥產(chǎn)生爆轟反應(yīng)。常用的敏化劑有物理敏化劑(玻璃微球和膨脹珍珠巖)和化學(xué)敏化劑(亞硝酸鈉)。相比物理敏化，化學(xué)敏化有價(jià)格低廉、來源廣泛、用量少等優(yōu)勢。所以當(dāng)下，亞硝酸鈉作為敏化劑在國內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。早期，學(xué)者們通過試驗(yàn)研究炸藥的爆速、猛度等參數(shù)，定性分析炸藥的能量輸出性能[2-4]。近年來，又利用水下爆炸測試系統(tǒng)對工業(yè)炸藥的爆炸能量輸出性能開展了大量研究。周霖等[5]通過典型炸藥爆炸的性能參數(shù)，分析計(jì)算了幾種混合炸藥的沖擊波能、氣泡能等，并修正了能量計(jì)算公式；田俊宏等[6]研究了鋁氧比對含鋁炸藥能量輸出特性的影響；趙倩[7]對黑索今含鋁炸藥水中爆炸能量輸出做了系統(tǒng)研究；盧勇等[8]通過溫壓炸藥配方設(shè)計(jì)，研究了溫壓炸藥的能量輸出特性；牟金磊等[9]通過計(jì)算與試驗(yàn)研究分析小藥量試驗(yàn)條件下有效比沖能隨距離變化的關(guān)系；龔悅等[10]研究了玻璃微球含量對乳化炸藥水下爆炸能量的影響；汪泉等[11]對幾種不同工業(yè)炸藥的水下爆炸能量輸出特性進(jìn)行了對比研究。雖然研究炸藥水下爆炸能量的報(bào)道很多，但研究深水靜壓對炸藥的能量輸出影響的較少。

本文中，使用自行設(shè)計(jì)的可改變靜水壓力大小的水下爆炸測試系統(tǒng)，選用化學(xué)敏化的乳化炸藥進(jìn)行水下爆炸試驗(yàn)，測量在靜水壓力下乳化炸藥的水下爆炸能量變化情況。通過沖擊波峰值壓力pm、比沖擊波能Es、氣泡能Eb和總能量Et的變化關(guān)系，定量研究化學(xué)敏化乳化炸藥在不同靜水壓力下的能量變化規(guī)律。

1 試驗(yàn)方案

按照表1的配方，乳化基質(zhì)水相在110℃下加熱溶解，復(fù)合油相在100℃下加熱熔化，將兩組分乳化4 min，然后將乳化基質(zhì)溫度控制在50～60℃。配制亞硝酸鈉水溶液(亞硝酸鈉與水質(zhì)量比為1∶2)，加入乳化基質(zhì)中，隨后加入2～3滴促進(jìn)劑磷酸溶液(磷酸與水的質(zhì)量比為1∶3)，攪拌2～3 min即可。將制備好的乳化炸藥自然冷卻至常溫。

表1 乳化基質(zhì)基本配方Tab.1 Basic formula of emulsion explosive%

乳化炸藥試樣中，亞硝酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.1%、0.2%、0.3%、0.4%，試樣分別對應(yīng)標(biāo)記為Y-0.1%、Y-0.2%、Y-0.3%、Y-0.4%。乳化炸藥入水初始深度為0.36 m，所受壓力可忽略不計(jì)(0 MPa)。設(shè)置0、0.1、0.3、0.5 MPa 4個(gè)靜水壓力分別對應(yīng)0.36、10.36、30.36、50.36 m的水深。每組測量3次，試驗(yàn)結(jié)果取平均值。

水下爆炸信號(hào)的采集流程為:傳感器接收并輸出沖擊波信號(hào)、電纜傳輸信號(hào)、波形采集儀采集并儲(chǔ)存、筆記本電腦數(shù)據(jù)處理。傳感器與波形采集儀之間通過電纜連接。電纜有兩個(gè)功能，即信號(hào)傳輸線和電流、電壓傳輸線。在安裝傳感器時(shí)，通過帶孔螺栓將傳感器頭部伸入爆炸球罐內(nèi)，ICP接口在外部，帶孔螺栓用防水密封膠密封。爆炸球罐高220 cm，最大直徑140 cm，筒壁厚2.2 cm，容積2 m3，工作壓力3.0 MPa。藥包位于球罐中心，入水深0.36 m，與傳感器距離0.58 m。測試系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 測試系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of test system

在炸藥爆炸時(shí)，必須滿足一定的藥包直徑。當(dāng)藥包直徑較小時(shí)，炸藥會(huì)發(fā)生不完全爆轟；隨著藥包直徑的增大，爆轟趨向穩(wěn)定，最后達(dá)到理想爆轟。

在實(shí)驗(yàn)室使用3、5、7 g炸藥進(jìn)行輸出能量測試，并綜合考慮爆炸振動(dòng)和對測試系統(tǒng)的保護(hù)，主體試驗(yàn)藥量選5 g。將炸藥與傳感器置于同一水平面上，經(jīng)過標(biāo)定，穩(wěn)定性和靈敏度等均符合要求。需要注意的是，在測量中必須設(shè)置預(yù)起爆時(shí)間，以便獲得完整波形。通過加壓，獲得靜水壓力為0.3 MPa時(shí)炸藥Y-0.3%的爆炸壓力實(shí)測波形，如圖2所示。

圖2 靜水壓力0.3 MPa時(shí)Y-0.3%的爆炸壓力實(shí)測波形圖Fig.2 Measured waveform of explosion pressure of Y-0.3%at hydrostatic pressure of 0.3 MPa

2 結(jié)果與分析

2.1 水下爆炸測試結(jié)果

比沖擊波能[12]

式中:p為沖擊波壓力，MPa；θ為衰減時(shí)間常數(shù)，s；ρw為水的密度，取1 000 kg/m3；Cw為水中聲速，取1 460 m/s；W為藥量，kg。

氣泡能[13]

式中:C為給定水池和裝藥位置等測試條件下的固有常數(shù)，C=b/a2，根據(jù)球罐參數(shù)，計(jì)算得C=-4.393 8 m/s；K1為常數(shù)；Tb為氣泡脈動(dòng)周期，s。

炸藥的總能量[13]

式中:Kf為藥形系數(shù)，對于球形藥包，Kf為1；μ為沖擊波損失系數(shù)。

結(jié)合式(1)～式(3)，計(jì)算得到采用不同敏化劑敏化的乳化炸藥的水下爆炸參數(shù)，并與雷管水下爆炸的參數(shù)進(jìn)行比較，結(jié)果見表2。表2中，pm為沖擊波峰值壓力，MPa。

2.2 無靜水壓力下乳化炸藥水下爆炸能量的變化

無靜水壓力時(shí)，4種質(zhì)量分?jǐn)?shù)的亞硝酸鈉敏化的乳化炸藥水下爆炸能量參數(shù)分布，如圖3所示。

圖3 無靜水壓力下乳化炸藥水下爆炸參數(shù)與亞硝酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系Fig.3 Relationship between underwater explosion parameters of emulsion explosive and mass fraction of sodium nitrite at 0 MPa

表2中，雷管試驗(yàn)作為一個(gè)測量基準(zhǔn)，是為了對比炸藥的爆轟能量下降程度。從4組參數(shù)可以看出:無靜水壓力時(shí)，炸藥Y-0.1%的爆炸能量較??；當(dāng)亞硝酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到0.2%時(shí)，炸藥爆炸能量均顯著提高；當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到0.3%時(shí)，炸藥爆炸能量呈現(xiàn)下降趨勢；當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到0.4%時(shí)，pm、Es、Eb和Et呈現(xiàn)下降趨勢，與Y-0.3%相比，分別下降了7.11%、13.73%、9.49%、11.80%。綜上可得:Y-0.2%炸藥的能量最佳；隨著亞硝酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，炸藥的能量將會(huì)有所下降；亞硝酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，能量下降速率越大。

表2 水下爆炸參數(shù)Tab.2 Underwater explosion parameters

2.3 不同靜水壓力下乳化炸藥水下爆炸性能的變化

圖4對比了亞硝酸鈉敏化的乳化炸藥在不同水壓下爆炸后的能量分布。無靜水壓力時(shí)，只有Y-0.1%發(fā)生半爆；外加壓力增大后，直接拒爆。與Y-0.1%相比，Y-0.2%各項(xiàng)能量均顯著提高；通過計(jì)算分析，此時(shí)，乳化炸藥達(dá)到完全爆轟。分析Y-0.3%可以看出，無靜水壓力時(shí)，pm、Es、Et比Y-0.2%的稍低一些，這是因?yàn)閅-0.3%中加入了過量的亞硝酸鈉，使得乳化炸藥中氣泡空穴過多，導(dǎo)致乳化炸藥的密度減小，從而能量釋放減小。當(dāng)靜水壓力增加到0.1 MPa時(shí)，所有炸藥試樣的能量均發(fā)生斷崖式下降，除Y-0.1%以外的3種炸藥均發(fā)生不同程度半爆。當(dāng)外加壓力增加到0.1～0.3 MPa時(shí)，3種乳化炸藥的各項(xiàng)能量由大到小順序?yàn)閅-0.4%、Y-0.3%、Y-0.2%；當(dāng)靜水壓力增加到0.5 MPa后，所測炸藥的沖擊波峰值與單發(fā)雷管的沖擊波峰值相差不大，說明對于所測量的3種乳化炸藥，當(dāng)外界壓力增大到一定程度時(shí)，均會(huì)失去爆轟感度。

圖4 不同靜水壓力下水下爆炸參數(shù)Fig.4 Variation curves of underwater explosion parameters under different hydrostatic pressures

2.4 機(jī)理分析

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，分析pm、Es、Eb和Et4個(gè)能量參數(shù)在靜水壓力下變化的原因。無靜水壓力時(shí)，Y-0.1%的4個(gè)能量參數(shù)均與單發(fā)雷管能量相當(dāng)，發(fā)生拒爆；原因在于亞硝酸鈉含量較低，反應(yīng)生成的氣泡數(shù)量很少，敏化后乳化炸藥內(nèi)部生成的熱點(diǎn)不足，無法形成從點(diǎn)到面的爆轟，繼而影響乳化炸藥能量的釋放。亞硝酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)提升到0.2%時(shí)，亞硝酸鈉在炸藥中反應(yīng)并形成大量敏化氣泡，此時(shí)炸藥中的熱點(diǎn)數(shù)目足夠多，且尺寸相當(dāng)，雷管起爆使熱點(diǎn)溫度升高到爆發(fā)點(diǎn)，進(jìn)而引起熱點(diǎn)周圍炸藥發(fā)生爆炸。當(dāng)亞硝酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)繼續(xù)增加到0.3%～0.4%時(shí)，4個(gè)能量參數(shù)不升反降；這是因?yàn)樵谌榛ㄋ庂|(zhì)量一定的情況下，過量添加亞硝酸鈉會(huì)導(dǎo)致乳化炸藥體積增大、密度減小，使炸藥內(nèi)部孔隙率增大。根據(jù)生成敏化氣泡的化學(xué)機(jī)理可知，亞硝酸鈉在生成敏化氣泡時(shí)會(huì)消耗硝酸銨的量，所以過量的亞硝酸鈉既會(huì)使炸藥的有效成分降低，又會(huì)增加孔隙率以減少炸藥水相、油相的面面接觸，最終導(dǎo)致炸藥樣品的爆轟性能下降。

乳化炸藥中的化學(xué)敏化氣泡受外界環(huán)境壓力的影響很大。由于亞硝酸鈉是在常壓下加入乳化基質(zhì)的，所以為達(dá)到內(nèi)、外壓力平衡，此時(shí)生成的敏化氣泡內(nèi)、外壓力均為常壓。隨著外加壓力的增大，敏化氣泡會(huì)出現(xiàn)體積縮小、相鄰氣泡融合的現(xiàn)象，體積較小的氣泡經(jīng)過體積壓縮，無法在爆炸過程中形成有效灼熱核，部分大氣泡和新融合的氣泡尺寸相當(dāng)，形成有效熱點(diǎn)，所以炸藥發(fā)生半爆。靜水壓力提升至0.3 MPa時(shí)，pm、Es、Et3個(gè)參數(shù)下降速率變慢；這是因?yàn)樵诖诉^程中不斷會(huì)有小氣泡與相鄰氣泡聚集、融合，形成新的有效氣泡，但更多的是由于外加壓力過大，使氣泡縮小到無效尺寸，所以炸藥的能量依然會(huì)處于下降狀態(tài)，發(fā)生更深程度的半爆。0.3 MPa時(shí)，3種炸藥的Eb會(huì)呈現(xiàn)上升狀態(tài)；分析原因，隨著靜水壓力的增大，炸藥的各項(xiàng)爆轟感度均下降，但還具有一定的爆轟性能，而且雷管在其中發(fā)揮了很大作用，所以水深增加后，Eb相應(yīng)提升。當(dāng)靜水壓力增加到0.5 MPa后，3種炸藥的各項(xiàng)能量下降速率又增大；這是因?yàn)殡S著外加壓力的不斷增大，炸藥中生成的化學(xué)敏化氣泡均變成一個(gè)個(gè)尺寸很小的點(diǎn)，均為無效熱點(diǎn)，不能形成灼熱核，炸藥發(fā)生拒爆，此時(shí)測到的爆炸能量僅為雷管釋放的能量。

3 結(jié)論

研究了亞硝酸鈉化學(xué)敏化的乳化炸藥在深水靜壓作用下爆炸能量的輸出特性。主要結(jié)論如下:

1)隨著外加壓力的增大，乳化炸藥的爆炸能量輸出性能呈遞減趨勢:0～0.1 MPa下，能量下降最快；從0.1 MPa以后，能量下降趨勢變緩；0.3 MPa后，4種炸藥呈半爆或拒爆；當(dāng)外界壓力達(dá)到0.5 MPa后，所測得爆炸能量僅為雷管爆炸的能量。

2)在一定的靜水壓力變化范圍內(nèi)，Y-0.2%、Y-0.3%和Y-0.4%3種炸藥的pm、Es、Eb和Et下降明顯；當(dāng)壓力增加到0.5MPa時(shí)，Y-0.4%的4個(gè)參數(shù)的下降速率比Y-0.2%、Y-0.3%兩種炸藥的下降速率顯著增高。

3)根據(jù)熱點(diǎn)理論:隨著靜水壓力的不斷增大，炸藥試樣中的化學(xué)敏化氣泡逐漸變小或消失，大部分變?yōu)闊o效熱點(diǎn)，不能形成灼熱核；當(dāng)靜水壓力過大時(shí)，炸藥會(huì)發(fā)生拒爆。